background image

2012-05-28 

Nanoproszki Ceramiczne 

Krystalizacja 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Bottom-up - krystalizacja 

… 

samoorganizacja 

materii 

wynikająca 

uwarunkowań 

termodynamicznych przy braku zahamowań kinetycznych.  
 

Dwa podejścia do opisu procesu powstawania fazy stałej:  
• termodynamiczny  –  proces  krystalizacji  składa  się  z:  (i)  przesycenia 

lub przegrzania układu, (ii) zarodkowania, (iii) wzrostu zarodka;  

• kinetyczny  –  proces  opisywany  jest  ilością  dostępnej  substancji, 

strumieniem dyfuzji, dostępną przestrzenią do wzrostu itp.  

Termodynamika  Krystalizacji 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

D

T

Co jest przyczyną 

krystalizacji? 
 

Co się dzieje w stanie 

równowagi?  
 

Jakie są czynniki umożliwiają 
krystalizację?  

 

Jakie czynniki wspomagają 
krystalizację?  

background image

2012-05-28 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Do  efektywnego  obniżenia  energii  swobodnej  roztworu  przesyconego 

można  doprowadzić    poprzez  utworzenie  fazy  stałej  i  związany  z  tym 
spadek stężenia roztworu do wartości równowagowej.  

Termodynamika  Krystalizacji 

Termodynamika  Krystalizacji  

 

Kiedy możemy spodziewać się zajścia procesu? 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

stan stabilny 

stan labilny 

stan metastabilny 

r

V

C

C

T

R

m

r





2

0

ln

C – stężenie,  

 

- energia powierzchniowa, 

V

m

 – objętość molowa,  

r – promień krzywizny;  

k

T

T

L

F

D

D

D

F – energia swobodna,  

L – ciepło krystalizacji,  
T

k

 – temperatura krystalizacji,  

0





D

n

r

k

C

C

T

R

T

T

L

ln

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Spadek 

D

G  jest  siłą  napędową  krystalizacji.  Zmiana  entalpii  swobodnej 

na  jednostkę  objętości  powstającej  fazy, 

D

G

V

,  jest  zależna  od  zmiany 

stężenia roztworu:  

 

 
 

gdzie: 

W

  –  objętość  atomowa,  C

0

  –  rozpuszczalność  (stężenie 

równowagowe)  ,  s  –  przesycenie.  W  sytuacji  gdy  C  >  C

0

  wyrażenie  ma 

wartość  ujemną  i  możliwe  jest  pojawienie  się  fazy  stałej.  Przy  przyjęciu 

jej  sferyczności  o  promieniu  r,  zmiana  entalpii  swobodnej  związana  ze 
zmianą objętości ma postać: 

 
 

 

A zmiana entalpii swobodnej związana ze zmianą powierzchni:  

Termodynamika  Krystalizacji 

 

… nieco inne podejście.  

s

T

k

C

C

T

k

G

V

W





W

D

1

0

ln

ln

V

V

G

r

D

D

3

3

4

D

2

4

r

S

background image

2012-05-28 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

i ostatecznie: 

Termodynamika  Krystalizacji 

D

D

D

D

2

3

4

3

4

r

G

r

G

V

s

V

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Zarodek krytyczny 

Z równania wynika, że istnieje objętość fazy stałej o wielkości krytycznej 

(zarodek krytyczny):  
 

 

 
 

a bariera energetyczna zarodkowania wynosi:  

V

G

r

D

2

*

2

3

16

V

G

G

D

D

*

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Zarodek krytyczny 

Z  ogólnego  równania  wynika,  że  wzrost  przesycenia  może  doprowadzić 

do  istotnego  wzrostu 

D

G

V

.  Wielkość  zarodka  krytycznego  musi  więc 

zależeć od przesycenia będącego funkcją temperatury (T

E

>T

1

>T

2

>T

3

):  

Jakimi czynnikami można jeszcze 
kontrolować wielkość zarodka? 
(i) rozpuszczalnik;  
(ii) dodatki (mineralizatory); 
(iii) zanieczyszczenia fazy stałej.  
 

background image

2012-05-28 

Szybkość zarodkowania 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Z  ogólnych  zależności  można  wyprowadzić  wzór  na  szybkość 

zarodkowania: 
 

 

 
 

 
 

gdzie: 

h

  –  lepkość,  a  –  wymiar  podstawowego  elementu  krystalizującej 

substancji, 

D

G* - lokalne fluktuacje entalpii swobodnej.  

Z  zależności  wynika,  że  aby  otrzymać  dużo  zarodków  (nanoproszki) 

należy:  
(i) prowadzić proces w roztworze o niskiej lepkości;  

(ii) wymusić  niską  barierę  energetyczną  zarodkowania  –  obniżyć 

temperaturę;  

(iii)Kontrolować przesycenie funkcji czasu:  .  





D





h

T

k

G

a

T

k

C

R

N

*

exp

3

0

3

Prawdopodobieństwo 

przekroczenia bariery 

energetycznej zarodkowania 

Zarodkowanie  zostaje  zatrzymane  gdy 
przesycenie  spada  poniżej  minimum  , 
narastanie  kryształu  trwa  aż  do  granicy 
rozpuszczalności.  

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Wzrostu  kryształu  jest  zawsze  procesem  złożonym,  podstawowe  etapy 

to:  
(i)powstanie  podstawowego  elementu  budowy  kryształu  –  cząsteczka, 

jon, makromolekuła;  

(ii)jego dyfuzja do narastającej powierzchni;  
(iii) adsorbcja elementów na powierzchni;  

(iv) utworzenie wiązań chemicznych;  
 

Każdy z tych procesów może kontrolować szybkość narastania kryształu. 

 
Rozproszenie  energetyczne  tych  procesów  prowadzi  do  zróżnicowania 

szybkości  wzrostu  pojedynczych  kryształów  i  ostatecznie  do  rozkładu 
wielkości i kształtów powstałych krystalitów.  

Wzrost zarodków 

Wzrost kryształu 

… kontrolowany dyfuzją  

 
Szybkość wzrostu cząstki o promieniu r jest równa: 

 

 
 

 
gdzie:  D  –  współczynnik  dyfuzji,  C

S

  –  stężenie  na  powierzchni. 

Równanie to po rozwiązaniu daje zależność:  

 
 

a w konsekwencji rozkład stężenia:  
  

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

r

V

C

C

D

t

r

m

S

d

d

2

0

2

r

t

k

r

D

background image

2012-05-28 

Wzrost kryształu 

… kontrolowany dyfuzją  

 
Dla  dwóch  cząstek,  dla  których  różnica  promieni  wyjściowych  jest 

równa ∂r

0

, różnica wielkości w trakcie wzrostu jest równa:  

 
 

 
 

 

Z  równania  wynika,  że  różnica  w  promieniach  maleje  wraz  ze 
wzrostem  promienia  cząstek  jak  i  czasem  trwania  procesu  – 

wzrost 

zarodków  kontrolowany  dyfuzją  prowadzi  do  wąskiego  rozkładu  ich 
wielkości.   

 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

0

2

0

0

0

0

r

r

t

k

r

r

r

r

r

r

D

    

czyli

    

Wzrost kryształu 

… kontrolowany procesami powierzchniowymi.  

 
W takim przypadku możliwe są dwa mechanizmy wzrostu: 
• jednozarodkowy  –  kryształ  wzrasta  warstwa  po  warstwie,  wzrost 

kolejnej warstwy ma miejsce dopiero po zapełnieniu poprzedniej;  

 

Szybkość wzrostu jest wówczas proporcjonalna do powierzchni:  
 

 

 
co w kategoriach różnic promieni cząstek daje:   

 
 

 

Ponieważ  k

m

·r

0

·t  <  1  różnica  w  promieniach  wzrasta  wraz  z 

przedłużeniem  czasu  procesu, 

co  prowadzi  do zróżnicowania  wielkości 

cząstek

.  

 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

t

k

r

r

r

k

t

r

m

m

0

2

1

1

    

czyli

    

0

2

0

0

2

0

2

r

t

r

k

r

r

r

r

m

-

1

1

r

    

czyli

    

Wzrost kryształu 

… kontrolowany procesami powierzchniowymi.  

 
W takim przypadku możliwe są dwa mechanizmy wzrostu: 
• jednozarodkowy  –  kryształ  wzrasta  warstwa  po  warstwie,  wzrost 

kolejnej warstwy ma miejsce dopiero po zapełnieniu poprzedniej;  

• wielozarodkowy 

– 

stężenie 

krystalizującego 

składnika 

na 

powierzchni jest duże i pojawia się wiele warstw na raz.  

 

Szybkość  wzrostu  jest  niezależna  zarówno  od  wielkości  cząstki  jak  i 

czasu:  
 

 
i podobnie różnica promieni cząstek:   

 

 
Względna różnica promieni jest odwrotnie proporcjonalna do wielkości 

cząstek i do czasu trwania procesu – 

wraz ze wzrostem cząstek rozkład 

ich wielkości jest coraz mniejszy.  

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

0

r

t

k

r

k

t

r

p

p

    

czyli

    

0

r

r

background image

2012-05-28 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Wzrost kryształu 

Obserwacje  sugerują,  że  możliwe  jest  występowanie  wszystkich 

mechanizmów  –  gdy  cząstka  jest  mała  dominuje  jednozarodkowy 
mechanizm  wzrostu  następnie  wielozarodkowy  a  dla  dużych  cząstek 

proces kontroluje dyfuzja.  

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Szybkości zarodkowania i wzrostu kryształu 

sz

ybk

o

ść

 pr

o

ce

su

 

przechłodzenie lub przesycenie 

zarodkowanie 

wzrost 

Jak można kontrolować wielkość cząstek? 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja 

Wzrost kryształu 

W  trakcie  wzrostu  kryształu  zmienia  on  kształt  od  sferycznego  do 

równowagowego. 

Kształt  równowagowy

  wynika  ze  zróżnicowania  energii 

powierzchniowej  różnych  płaszczyzn  krystalicznych.  Kształt  kryształu 

wyznacza  się  za  pomocą  konstrukcji    Wulffa    (

co  trzeba  znać?

). 

Konstrukcja 

polega 

na 

wykreśleniu 

dla 

każdego 

kierunku 

krystalograficznego  płaszczyzny  prostopadłej  do  tego  kierunku  w 

odległości  proporcjonalnej  do  energii  powierzchniowej  odpowiedniej 
płaszczyzny  krystalograficznej.  Obwiednia  tych  płaszczyzn  przedstawia 

równowagowy kształt kryształu.  

background image

2012-05-28 

Zarodkowanie i wzrost a NANO 

Jak prowadzić proces aby otrzymać nanoproszek a nie monokryształ?  

 
• stężenie - przesycenie?  
• temperatura - przechłodzenie?  
• zmiana stężenia w czasie?  
• skład chemiczny roztworu?  
• ???  

 

 

Nanoproszki Ceramiczne – Wykład III – Krystalizacja